MKS技术说明之驱动器和温度控制器

为了评估激光二极管的质量、性能和特征，制造商经常进行详尽的测试，这需要表征激光输出的电-光、光谱和空间特性。激光二极管的输出取决于注入电流和温度。因此，使用电流和温度控制器严格控制这些参数，对提取重要的运行参数是非常关键的。图1所示为激光二极管测试和表征装置示例。此外，激光二极管价格昂贵并且具有精密的电载荷，要求控制器能够保护器件的同时确保其输出稳定。通常，”驱动器”指的是电流源，而“控制器”指的是一体式电流源和温度控制机制。

图1:典型的计算机控制的激光二极管测试和表征装置。

▍电流驱动器

最重要的激光二极管特性是光输出功率（L）如何响应注入电流（I），称为L-I曲线。L-I曲线可以用来确定许多重要参数，包括阈值电流和阈值电流密度、微分响应度、内部量子效率和外部微分量子效率。这些值通常会列在激光二极管的参数表中，以便用户能够确定重要的运行参数，比如激光振荡开始的电流，特定激光功率的驱动电流，以及器件能够承受的最大电流。驱动电流能够影响激光的中心波长（见图2），因此电流的精确控制对二极管输出的光谱控制也十分重要。

图2:高功率激光二极管的典型L-I曲线（左）以及工作电流对单纵模激光二极管输出光谱的影响（右）。

由于对注入电流的敏感性，激光二极管通常使用稳定的电流源驱动。其他源，比如电压源或者通用电源，对于大多数应用来说噪声太大，产生可能会损坏激光二极管的电压和电流的波动和瞬变。我们已经开发了专门的电路设计以保护激光二极管不受损坏。电路设计通常包括输入AC电源滤波和高速瞬变抑制电路。当输出电流打开或者关闭时，也可能发生内部瞬变。为了防止这种情况，有效的激光二极管驱动器会在电流关闭时将输出短路到激光二极管上。在导通阶段，驱动器在几秒的延迟后缓慢地将输出电流升高至预期设定值。激光二极管驱动器的另一个必要特征是独立的电流限制，在任何可能造成输出电流超过激光二极管最大额定电流的条件下都能正常工作。保持工作电流的稳定是非常重要的。许多控制器有内置的用于监测输出功率的光电二极管反馈机制。由于激光二极管通常从腔的两端发射光束，使用光电二极管监测激光二极管的背面输出光束，使我们能够通过主动控制将激光器保持在恒定功率水平。激光二极管的另一个优点是可以直接调制，归因于阈值之上L-I曲线的线性相关性（见图2）。合适的电流驱动器能够实现数吉赫兹频率的激光二极管调制，同时，电流驱动器可以用于脉冲输出。

▍温度控制器

激光二极管的阈值电流和微分响应度受到激光器温度影响。激光阈值随温度呈指数函数exp(T/T0)增加，其中T是激光器温度，T0是激光器的特征温度（通常为60—150ºC）。T0是器件温度灵敏度的量度，T0越高，表明器件的热稳定性越高。T0是激光二极管的一个重要特征，通常可以从多个L-I曲线中提取。温度变化影响半导体结的带隙，从而影响增益曲线的峰值波长，形成温度和激光二极管中心波长之间的线性关系（见图3），其中典型的温度调谐系数为0.3nm/℃。因此，温度控制器对确定激光波长起到关键作用。

图3.工作在不同温度的激光二极管的L-I曲线（左）以及温度对中心波长的影响（右)

考虑到有许多参数与激光二极管的温度相关，使用温度控制器设置并保持稳定的温度是非常重要的。大多数激光二极管应用使用热电（TE）冷却器来保持恒定温度。TE冷却器依赖Peltier效应，通过p型和n型半导体材料的驱动电流传递热量。使用TE冷却器时最需要考虑的重点是，它们是热泵。换句话说，它们将热量从产生热量的激光器中泵出来，送至用来散热的散热器。为了实现这种热泵效果，必须以适当的方向将电流驱动到TE冷却器。这些固态器件能够将小型热负载从室温开始加热或者冷却，温度变化超过60ºC，且温度稳定性优于0.001℃。附于激光二极管上的精确温度传感器令TE冷却器可适当调节器件的温度。其中一种传感器类型是热敏电阻，这是一种电压下降与温度成正比的电阻器件。热敏电阻价格低廉，测量精确，灵敏度高且易于使用，是最常用的传感器。热敏电阻也是体积最小的传感器类型，非常适合集成到激光二极管封装中。